DESAIN DAN SIMULASI FILTER DAYA AKTIF SHUNT UNTUK KOMPENSASI HARMONISA MENGGUNAKAN METODE CASCADED MULTILEVEL INVERTER Ari Yuanti Jurusan Teknik Elektro, FTI Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS Keputih Sukolilo Surabaya 60111 Abstrak Perkembangan pemakaian Elektronika Daya dalam sistem tenaga, menyebabkan peralatan non linier semakin banyak dipergunakan di industri atau rumah tangga. Peralatan non linier dapat mempengaruhi kualitas daya karena beban non linier merupakan sumber gangguan harmonisa. Penggunaan filter untuk mengurangi harmonisa telah banyak direkomendasikan untuk mengatasi masalah tersebut. Tugas akhir ini memaparkan salah satu konfigurasi filter harmonisa, yaitu Filter Aktif konfigurasi parallel, atau yang biasa disebut dengan Filter Daya Aktif shunt. Metode yang digunakan adalah Cascaded Multilevel Inverter. Hasil desain dan simulasi sistem berupa nilai THD (Total Harmonic Distortion). Nilai THD pada sistem yang menggunakan filter aktif Cascaded Multilevel Inverter menunjukan penurunan yang signifikan dibandingkan dengan sistem tanpa penambahan filter atau dengan sistem yang menggunakan Filter Aktif PWM (Pulse Width Modulation) . Kata Kunci: Harmonisa, Filter Daya Aktif Shunt, Cascaded Multilevel Inverter
yaitu dengan metode PWM (Pulse Width Modulation), tetapi metode ini mempunyai kelemahan yaitu membutuhkan switching frekuensi tinggi dan akan timbul losses pada switching itu sendiri. Oleh karena itu untuk mengatasi masalah tersebut metode yang digunakan adalah metode Cascaded Multilevel Inverter. Metode tersebut tidak memerlukan switching frekuensi dan daya yang dihasilkan juga lebih besar sehingga tidak dibutuhkan transformator. Selain itu dengan menggunakan metode ini THD (Total Harmonic Distortion) pada sistem dapat diturunkan. Dalam Tugas Akhir ini, Filter daya aktif akan didesain menggunakan simulasi dan akan dibandingkan THD sistem tanpa filter, sistem dengan Metode Cascaded Multilevel Inverter dan Metode PWM (Pulse Width Modulation).
I. PENDAHULUAN Kualitas daya yang baik pada suatu Sistem Tenaga Listrik adalah suatu keharusan. Kualitas daya dipengaruhi oleh jenis beban dalam sistem. Dalam sistem tenaga listrik dikenal dua jenis beban yaitu beban linear dan beban non linear. Idealnya arus dan tegangan listrik memiliki bentuk sinusoida. Hal ini terjadi jika sumber tegangan sinusoida memberi suplai kepada beban linier. Beban linier mencakupi resistor, kapasitor dan induktor ideal. Apabila beban bersifat non linier, arus yang dibutuhkan tidak sinusoida walaupun tegangan suplainya sinusoida. Ketidaklinieran tersebut dapat disebabkan sifat magnetis beban atau saklar semikonduktor. Penyebab ketidaksempurnaan kualitas daya antara lain adalah harmonisa dari peralatanperalatan pemakai energi listrik, dimana peralatan tersebut mengeluarkan gelombang sendiri dan menginterferensi gelombang fundamental amplitude dari arus maupun tegangan [1]. Harmonisa akan menyebabkan gelombang fundamental maupun amplitudo terdistorsi. Polusi harmonisa merupakan masalah penting kualitas daya. Dengan berkembangnya beban-beban non linier didalam aplikasi industri dan sistem distribusi, kompensasi harmonisa semakin menjadi perhatian khusus [2]. Salah satu solusi dari masalah tersebut adalah dengan pemasangan filter aktif yang dipasang secara paralel (Shunt Active Filter). Ada banyak metode yang dikembangkan untuk mendesain suatu Filter daya aktif. Salah satu metode untuk mendesain filter daya aktif paralel,
II. DASAR TEORI 2.1 Harmonisa Harmonisa merupakan suatu fenomena yang timbul akibat pengoperasian beban listrik non linier. Beban non linier merupakan sumber terbentuknya gelombang pada frekuensifrekuensi tinggi yang merupakan kelipatan dari frekuensi fundamental. Untuk sistem tenaga dengan fo sebagai frekuensi dasar, maka frekuensi dari harmonisa orde ke-n adalah n fo. Berdasarkan Standart IEC (International Electrotechnical Commission) gangguan harmonisa tergolong kedalam Distorsi Bentuk Gelombang. Pada fenomena ini terjadi perubahan bentuk gelombang dari gelombang
1
Inverter bersumber Tegangan (Voltage Sourced Inverter) dapat dicermati pada Gambar 2. Prinsip kerjanya dapat dijelaskan sebagai berikut. FA shunt harus menyediakan komponen harmonisa yang dibutuhkan oleh beban nonlinear. Dengan demikian, jika arus beban IL dapat dinyatakan sebagai jumlah komponen dasar IL1 dan harmonisa-harmonisa yang lebih tinggi ILn, yang secara matematis dapat dinyatakan dengan persamaan berikut.
dasarnya. Bentuk gelombang akibat munculnya harmonisa dapat dilihat pada Gambar.1
Gambar1. Bentuk Gelombang Yang Terdistorsi Harmonisa
∞
I L = I L1 + ∑ I Ln
(5)
n=2
Setiap bentuk gelombang periodik yang tidak berbentuk sinusoida dapat dinyatakan dengan analisis persamaan Fourier sebagai berikut.
Keterangan : IL = Arusyang mengalir ke beban IL1 = Arus fundamental (arus sumber) ILn = Arus frekuensi kelipatan fundamental
Maka FA Shunt harus menyediakan arus harmonisa If .
T
ao =
1 f (t )dt T ∫0
∞
I f = ∑ I Ln
(1)
T
2 an = ∫ f (t ) cos nωtdt T 0
Keterangan :
(2)
If = Arus filter aktif
Hasilnya, sumber listrik akan menganggap beban tidak linear tersebut hanya membutuhkan IL1 saja. Konfigurasi Filter aktif shunt dapat dilihat pada Gambar 2.
T
bn =
2 f (t ) sin nωtdt T ∫0
(3)
T = Periode n = indeks harmonisa Dalam upaya mengatasi permasalahan yang ditimbulkan oleh harmonisa, diperlukan sebuah ukuran distorsi harmonisa. THD (Total Harmonics Distortion) adalah standard yang umum dipakai selama ini. Secara matematis, dihitung dengan rumus berikut ini: THD Arus
I THD =
∞
2 n 2 1
I × 100 % n = 2 , 3.4... I
∑
(6)
n=2
Gambar 2. Konfigurasi Filter Aktif Parallel 2.3 Cascaded Multilevel Inverter
(4)
Prinsip dasar yang dibutuhkan peralatan semikonduktor, yaitu kemampuan mensuplai daya yang besar dan tegangan output yang halus (smooth). Pada metode PWM (pulse width modulation) untuk memperoleh tegangan output yang halus dapat dilakukan dengan menaikkan frekuensi switching. Namun pada aplikasi daya yang lebih, besar frekuensi switching tidak bisa dinaikkan disebabkan karena besar losses yang timbul pada switch itu sendiri. Kelemahan tersebut dapat diatasi dengan metode multilevel inverter. Pada metode multilevel inverter rangkaian tegangan pada switch bisa lebih rendah dan mengatasi losses pada switch.
Keterangan : ITHD = Nilai THD arus (dalam persen) I1 = Arus Fundamental In = Arus pada frekuensi ke n 2.2 Filter Aktif Dalam dekade terakhir, telah muncul saklar-saklar semikonduktor yang dapat bekerja dengan frekuensi yang sangat tinggi. Sebuah aplikasinya adalah untuk pembuatan filter harmonisa aktif. Filter harmonisa aktif sering disebut sebagai Filter Daya Aktif (Active Power Filter). Istilah yang biasa digunakan adalah Filter Aktif. Filter aktif dapat dibagi menjadi tiga kelompok, yaitu Filter Aktif (FA) shunt, seri dan hibrid. Masing-masing memiliki keunggulan dan kekurangan. FA shunt adalah filter yang paling populer, memiliki topology dan prosedur intalasi yang telah dipahami dengan baik. Skema rangkaian sebuah FA yang menggunakan
III. DESAIN CASCADED MULTILEVEL INVERTER SEBAGAI FILTER AKTIF 3.1 Konsep dasar Cascaded Multilevel Inverter Salah satu cara untuk mengimplementasikan metode Cascaded Multilevel inverter adalah menggunkan inverter full brigde 1 fasa yang dihubung seri dengan sumber tegangan terpisah.
2
n-level cascaded H-Bridge, dimana n adalah jumlah level dari output Multilevel Inverter sedanngkan H adalah jumlah inverter full bridge yang dicascaded. (7) n = 2H + 1 Keterangan: n = Jumlah level Cascaded Multilevel Inverter H = Jumlah inverter Full bridge Semakin banyak level pada Cascaded Multilevel inverter maka tegangan outputnya juga akan semakin halus. Tetapi seperti dilihat pada persamaan 7, jika levelnya semakin tinggi, maka H (jumlah inverter) juga semakin banyak sehingga membutuhkan banyak komponen. Pada Tugas Akhir ini menggunakan rangkaian Cascaded Multilevel Inverter 11-Level cascaded 5-Bridge, rangkaian ditunjukkan pada gambar 4. Keluaran dari rangkaian gambar 4 terdiri dari 11 level amplitudo, yaitu +5, +4, +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3, -4, -5. Bentuk gelombang keluaran dari rangkaian Cascaded Multilevel Inverter 11-Level cascaded 5-Bridge ditunjukan pada Gambar 3. Pada Gambar 3 gelombang referensi berupa gelombang sinus murni dan sehingga gelombang keluaran dari Cascaded multilevel Inverter juga berbentuk sinus tetapi bertingkat (tangga).
Gambar 4. Rangkaian Cascaded Multilevel Inverter 11-Level cascaded 5 Bridge
3.2 Cascaded Multilevel Inverter sebagai Filter Aktif Cara kerja metode cascaded multilevel inverter sebagai filter aktif adalah dengan membangkitkan gelombang harmonisa sistem. Gelombang harmonisa dari sistem menjadi referensi dari rangkaian inverter ini. Dengan harapan rangkaian cascaded Multilevel Inverter dapat membangkitkan gelombang yang sama bentuk dan amplitudonya dengan gelombang harmonisa sistem. Selajutnya keluaran dari inverter tersebut diinjeksikan ke sistem sebagai kompensasi harmonisa. Gambar 5 merupakan blok diagram sistem. Seperti pada gambar tersebut, sistem dibagi menjadi beberapa bagian, yaitu: a) Beban Non Linier b) Filtering c) Leveling, d) Triggering e) Cascaded Multilevel Inverter.
Gambar 5. Blok Diagram dan Rangkaian sistem dengan Cascaded Multilevel Inverter Sebagai Filter Aktif 3.2.1. Beban Non Linier Seperti yang telah dijelsakan sebelumnya, penghasil harmonisa adalah beben non linier. Beban yang digunakan sistem adalah penyearah satu fasa seperti pada gambar 6.
Gambar 6. Sistem dengan beban non linier (rectifier)
Gambar 3. Gelombang Output 11 Level cascaded 5 Bridge
3
Bentuk gelombang arus sumber sistem ditunjukkan pada gambar 7.
A
B
Gambar 9.Rangkaian Op-Amp dan Gerbang AND Pada gambar 9 terdapat 2 Op-Amp (A dan B) dan 1 gerbang AND. Untuk Op-Amp A input non inverting adalah amplitudo batas atas level sedangkan gelombang referensi pada input negatif. Sedangkan untuk Op-Amp B input non Inverting adalah gelombang Referensi dan input inverting adalah batas bawah level. Batas atas dan batas bawah yang dimaksud pada gambar 9 adalah batas amplitudo untuk tiap level. Sedangkan gerbang AND berfungsi untuk memastikan bahwa amplitudo berada diantara batas atas dan batas bawah. Sehingga apabila salah satu batas tidak terpenuhi, maka saklar pada level tersebut tidak bekerja atau dalam keadaan OFF. Untuk tiap level memiliki variasi saklar yang nyala dan saklar harus mati, untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Tabel 1. Pada tiap level memerlukan rangkaian seperti pada gambar 9. Sehingga total rangkaian pendeteksi level ada 11 rangkaian sesuai dengan jumlah levelnya (11 level). Untuk rangkaian lengkapnya dapat dilihat pada gambar 10.
Gambar.7 Bentuk gelombang Arus Sumber 3.2.2 Filtering Proses filtering bertujuan untuk mendapatkan gelombang harmonisa ,caranya adalah dengan menggunakan band pass filter. Rangkaian filtering dapat dilihat pada gambar 8.
Gambar 8. Rangkaian Filtering IL merupakan arus beban sistem. Untuk mendapatkan gelombang referensi, maka arus beban IL harus dikurangi dengan komponen fundamental. Salah satu cara adalah dengan memfilter arus beban pada frekuensi band pass 50 Hz, kemudian arus beban dikurangi dengan komponen fundamental, sehingga didapatkan arus dengan komponen harmonisa saja. Gelombang tersebut sebagai referensi untuk rangkaian Cascaded Multilevel Inverter. Bentuk dari gelombang harmonisa dapat dilihat pada gambar 9
3.2.4. Triggering Banyak saklar pada inverter ini disimbolkan dengan huruf S, dengan rumus seperti persamaan 8 S = 2(n − 1) (8) S = Jumlah Saklar (switching) n = Jumlah Level Sesuai dengan persamaan tersebut, jumlah saklar untuk 11 level cascaded 5 bridge adalah sebanyak 20. Keluaran pada setiap rangkaian full bridge inverter mempunyai 3 variasi tegangan output antara lain +V, 0 dan – V. Ketiga variasi tegangan tersebut dihasilkan dari pengaturan switching (S1,S2,S3 dan S4). Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, bahwa pada 11 level cascaded 5 bridge, amplitudo yang dihasilkan oleh inverter ini bervariasi dari –V5 sampai dengan V5. Untuk mengatur variasi amplitudo, yang berperan utama adalah ke 20 saklar tersebut. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada tabel 1.
Gambar 9 Gelombang Harmonisa 3.2.3 Leveling Untuk menghasilkan keluaran yang sama dengan gelombang referensi, maka dibutuhkan cara untuk mendeteksi level gelombang referensi atau yang disebut dengan leveling. Gelombang yang menjadi referensi dinormalisasikan terlebih dahulu sehingga didapatkan amplitudo maksimal +5 dan minimal -5. Rangkaian leveling menggunakan Op-Amp dan gerbang logika AND dapat dilihat pada gambar 9. Tujuan dari rangkaian leveling diharapkan agar Cascaded Multilevel Inverter dapat menghasilkan keluaran yang sama dengan referensinya.
3.2.5 Output Cascaded Multilevel Inverter Setelah melalui tahap filtering, leveling dan triggering maka output rangkaian Cascaded Multilevel inverter seperti pada gambar12.
4
Tabel 1. Variasi level amplitudo dan pengaturan saklar
Gambar 12 Output cascaded Multilevel Inverter IV. HASIL SIMULASI 4.1 Nilai Parameter yang dipakai untuk Simulasi Dalam simulasi ini semua nilai atau besaran yang ada pada rangkaian adalah sebagai berikut. 1. Trafo 20 kV / 0.38 kV 2. Tegangan sistem Line-netral Vs = 220V, f = 50Hz 3. Impedansi sumber L=0,1mH, R = 1Ohm 4. Impedansi Saluran L=0.1mH, R = 2Ohm 5. Beban Non linier berupa 1 buah bridge rectifier 1 fasa dengan beban R = 9,68 Ohm , C = 2,6mF , P = 4 kW
Gambar 10. Rangkaian Leveling
4.2 Hasil Output Cascaded Multilevel Inverter Pada gambar 13 dan 14 menunjukkan bahwa antara gelombang referensi dan keluaran cascaded multilevel inverter bentuk dan amplitudo keduanya hampir sama. Dengan demikian metode ini efektif untuk digunakan sebagai Filter aktif.
Gambar.11 Rangkaian Inverter Full Bridge Tabel 2 Full Bridge Inverter Switching SAKLAR Tegangan OutputVo S1 S2 S3 S4 +V 1 0 0 1 0 1 1 0 0 -V 0 1 1 0
Gambar 13. Bentuk gelombang referensi .(komponen Harmonisa)
Ket : 1 = ON, 0 = OFF
5
Tabel 5. Standard THD IEEE
Gambar 14. Bentuk Gelombang Keluaran Filter Aktif Shunt Cascaded Multilevel Inverter 4.3 Perbandingan THD sistem tanpa filter, sistem yang menggunakan filter PWM dan sistem yang menggunakan filter Cascaded Multilevel Inverter Tabel 3,4 dan Gambar 15, 16 menunjukkan perbandingan nilai THD arus dan tegangan sumber
Tabel 5 merupakan standard % harmonisa untuk arus dan tegangan. ISC=549.85A didapat dari simulasi pada PSIM dengan cara menghubung singkatkan fasa dengan tanah dan kemudian dilihat besarnya Irms.Sedangkan IL = 61.077A adalah arus beban fundamental nominal. Sehingga didapat ISC / IL = 9.002 (<20). Sesuai dengan table 5 maka standard nilai THD arus adalah maksimal 5%. Sedangkan standard nilai THD tegangan pada tegangan sisten <69kV adalah maksimal 5 %. Dapat dilihat pada table 3 dan 4 bahwa pada penggunaan Filter aktif Cascaded Multilevel Inverter, nilai THD arus dan tegangan sumber masih dibawah batas yang diijinkan atau sesuai dengan standard.
Tabel 3. Perbandingan THD Arus
Tabel 4. Perbandingan THD Tegangan
4.4 Perbandingan THD sistem tanpa filter, sistem yang menggunakan filter PWM dan sistem yang menggunakan filter Cascaded Multilevel Inverter dengan perubahan kapasitas beban Tabel 6, 7 dan gambar 16, 17 menunjukkan perbandingan THD arus dan tegangan sumber dengan beberapa kapasitas beban. Tabel 6. Perbandingan THD arus sumber sistem dengan beberapa nilai kapasitas beban
Gambar15. Perbandingan bentuk gelombang dan spektrum frekuensi arus sumber sistem tanpa filter aktif, dengan filter aktif Cascaded Multilevel Inverter dan PWM
Gambar16. Grafik Perbandingan THD arus sumber sistem dengan beberapa nilai kapasitas beban
6
[2]
Tabel 7. Perbandingan THD Tegangan sumber sistem dengan beberapa nilai kapasitas beban
[3]
[4]
[5] Gambar 17. Grafik Perbandingan THD Tegangan sumber sistem dengan beberapa nilai kapasitas beban V. KESIMPULAN Kesimpulan yang didapat dari hasil simulasi dalam Tugas Akhir ini sebagai berikut : 1. Metode cascaded Multilevel Inverter dapat dioperasikan sebagai filter daya aktif parallel untuk mengkompensasi harmonisa yang ditimbulkan oleh beban yang tidak linier 2. Filter aktif cascade Multilevel Inverter dapat menurunkan THD (Total Harmonic Distortion) arus sumber pada sistem sebesar 89.64% menjadi 3.22%. 3. Filter aktif cascade Multilevel Inverter dapat menurunkan THD (Total Harmonic Distortion) tegangan sumber pada sistem sebesar 6.62% menjadi 2.15%. 4. Filter aktif Cascade Multilevel Inverter memiliki kemampuan lebih baik dalam menurunkan THD arus sumber sistem menjadi 3.22% dibandingkan dengan Filter Aktif PWM yang hanya mampu menurunkan menjadi 12.10% 5. Filter aktif Cascade Multilevel Inverter memiliki kemampuan lebih baik dalam menurunkan THD tegangan sumber sistem menjadi 2.15% dibandingkan dengan Filter Aktif PWM yang hanya mampu menurunkan menjadi 6.61% 6. Pada sistem yang menggunakan Filter aktif Cascade Multilevel Inverter, nilai THD arus dan tegangan sumber masih dibawah batas yang diijinkan atau sesuai dengan standard (dibawah 5%)
[6]
Haryudo Subuh Isnur, “ Peredaman Harmonik Sistem Tenaga Menggunakan Filter Aktif Hybrid” Dept. of Electrical Engneering Faculty of Technology, Hang Tuah University. Priliasari Fika, Gusmedi Heri, “Studi Pengaruh Harmonisa pada Arus Listrik Terhadap Besarnya Penurunan Kapasitas Daya (Kva) Terpasang Transformator Distribusi”, Jurnal Rekayasa dan Teknologi Elektro, Vol 1, No.1, September 2007. Masri Syafrudin,“Design Of Active Power Filter (APF) For Harmonics Control In Power Distribuion Sistem”, Jurnal Rekayasa Elektrika, Vol 4, No.2, 2005. Sekaran Eswaran Chandra, Anbalagan Ponna Nadar, and Palanisamy Chelliah, “ Analysis and Simulation of A New Shunt Active Filter Using Cascaded Multilevel Inverter”, Journal Of Electrical Engineering, Vol.58, No.5, 2007. Han Yan, Xu Lin, Yao Gang, Dan Zou Li Mansoor dan Chen chen, “Operation and Control Strategies of Cascaded H-bridge Multilevel Active Power Filter”, Journal of ISSN , No 3(91), 2009.
BIOGRAFI PENULIS Ari Yuanti dilahirkan di Yogyakarta 18 Januari 1985, merupakan anak ke-2 dari 2 bersaudara. Penulis memulai sekolah di SDN Purwodadi VI Malang, SLTPN 5 Malang , dan SMUN 5 Malang. Setelah lulus SMU pada tahun 2003, penulis kuliah di Politeknik Negeri Malang Jurusan Teknik Elektro selama 3 tahun, Kemudian bekerja selama 1 tahun (2006-2007) di PT AIT Batam. Pada tahun 2007 penulis melanjutkan studinya di ITS dengan Nrp 2207 100 617 sampai dengan saat ini. Penelitian ini diajukan sebagai syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di bidang studi Teknik Sistem Tenaga jurusan Teknik Elektro Bidang
Daftar Pustaka [1] Nugroho Agung, “Harmonisa Arus Mesin Induksi”, Jurnal Transmisi, Vol 8, No.2, Desember 2004.
7
